CN104991393A - 基于量子干涉的任意波形电光调制器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于量子干涉的任意波形电光调制器，包括：相对设置的固定腔镜及可移动腔镜，两者间形成设有相互作用介质的光学腔，可移动腔镜充有电荷；光学腔内注入探测光及入射光场，入射光场与光学腔共振形成腔场；电荷体，与可移动腔镜间形成电容性耦合；外部电路，包括：电流发生器；电流发生器与电荷体电性连接，用于向电荷体注入电荷，并通过调整注入的电荷数调控探测光在相互作用介质内的吸收，以得到所需波形的光输出。本发明通过简单的调节电路中的电流，可以产生需求波形的光场，具有电控制高集成化优势、腔品质调节的功能及相互作用介质具有广泛的选择性的优点。

Description

基于量子干涉的任意波形电光调制器

技术领域

本发明涉及量子通信技术领域，特别是涉及一种基于量子干涉的任意波形电光调制器。

背景技术

随着光通信、信号处理技术和集成光子学的发展，对光信号的处理变得越来越重要。当今，对光信号的主要调制手段有直接调制和间接调制两种方式。直接调制一般只适用于半导体光源激光器，其中除了输出光强随调制信号发生变化外，输出光的频率也会发生移动，即振幅和频率双调制，存在啁啾(chirp)特性。这种啁啾特性不仅使光场线宽展宽，而且在传播过程中受色散的影响，非线性失真增大。间接调制：主要是利用晶体的电光效应、声光效应、磁光效应和电吸收效应等性质来对激光实现调制，主要包括电光调制，声光调制，磁光调制和电吸收调制等，其中应用比较普遍的是电光调制。

电光调制器主要原理是利用施加电场调制光在相互作用介质中折射率的实部和虚部，其分别对应于电光效应和电吸收效应。电光效应是指相互作用介质在外加直流或低频电场作用下，由于极化而出现光学特征(各向异性)的改变，进而影响到光波在相互作用介质中的传播特性的性质，本质就是指某些晶体在光波电场与外电场的共同作用下出现非线性的极化和双折射现象，从而引起相互作用介质折射率变化。这类电光效应主要包括Pockels效应和Kerr效应，Pockels效应又称线性电光效应，是指相互作用介质的折射率与施加电场强度的一次方成正比；Kerr效应又称二阶光电效应，是指相互作用介质的折射率与施加电场强度的二次方成正比。电吸收效应是指半导体材料对入射光的吸收系数随外加电场不同而产生变化，主要包括在传统块状半导体材料中的Franz-Keldysh效应和量子阱结构材料中的量子限制Stark效应。在半导体量子阱材料中，当法向电场施加于量子阱层时，电子和空穴的能级发生偏移，导带底能级与价带顶能级之间的能量差变小，同时电子和空穴在外电场的作用下分别向相反的方向移动使得激子能量降低，造成激子吸收的Stark移位。在外加电场的作用下，材料对光场的吸收谱发生了变化。

然而目前出现的电光调制器对强度波形的调整还非常有限，尤其是任意波形的产生器。不能很好的根据需求来随意的调制波形，即使可以调节，也要通过非常复杂的技术手段。而本发明将基于量子干涉的机制—利用相互作用介质内态中两束光的相干干涉现象来实现电光调制，并且建立了一种一一对应的电光连接，为获得某种需求波形的光输出，只需要输入一种相应波形的电荷即可，即可以获得一种产生任意波形的电光调制器。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于量子干涉的任意波形电光调制器，通过量子干涉机制来实现电光调控，并建立一一对应的电光连接，以解决现有技术中电光调制器对强度波形的调整非常有限，不能很好的根据需求来随意的调制波形，即使可以调制，也要通过非常复杂的技术手段的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于量子干涉的任意波形电光调制器，所述基于量子干涉的任意波形电光调制器包括：相对设置的固定腔镜及可移动腔镜，两者间形成设有相互作用介质的光学腔，所述可移动腔镜充有电荷；所述光学腔内注入探测光及入射光场，所述入射光场与所述光学腔共振形成腔场；

电荷体，与所述可移动腔镜间形成电容性耦合；

外部电路，包括：电流发生器；所述电流发生器与所述电荷体电性连接，用于向所述电荷体注入电荷，并通过调整所述注入的电荷数调控所述探测光在所述相互作用介质内的吸收，以得到所需波形的光输出。

作为本发明的基于量子干涉的任意波形电光调制器的一种优选方案，通过调整所述注入的电荷数调控所述探测光在所述相互作用介质内的吸收，以得到所需波形的光输出，包括：

通过调整所述注入的电荷数控制所述电荷体同所述可移动腔镜上电荷间的库仑力，以控制所述可移动腔镜相对固定腔镜位移；所述光学腔因所述位移而变化腔长度，使所述光学腔内因外部作用而产生的腔场的强度发生变化，根据所述腔场强度的变化相干地调控所述探测光在所述相互作用介质内的吸收，以得到所需波形的光输出。

作为本发明的基于量子干涉的任意波形电光调制器的一种优选方案，根据所述腔场强度的变化相干地调控所述探测光在所述相互作用介质内的吸收，包括：

所述腔场强度变化使光学腔和所述入射光场之间失去共振而减少光学腔内光子数量，所述光学腔内光子数量减少使得所述探测光在所述相互作用介质内的极化率随之相应变化，极化率的虚部决定所述探测光在所述相互作用介质内的吸收率，进而实现相干地调控所述探测光在所述相互作用介质内的吸收。

作为本发明的基于量子干涉的任意波形电光调制器的一种优选方案，所述极化率的虚部与所述电荷体上注入的电荷数具有一一对应的关系，依据所需波形的光输出在所述相互作用介质中的吸收率向所述电荷体上注入相应的电荷数即可得到所需波形的光输出。

作为本发明的基于量子干涉的任意波形电光调制器的一种优选方案，所述电荷体上注入的电荷数与所述极化率的虚部的对应关系式为：

$n_q=\frac{{\mathrm{m\ω}}_m^2}{2G_0\mathrm{\η}}\sqrt{\frac{g^2{\mathrm{\ϵ}}_c^2}{\frac{{\mathrm{A\γ}}_S}{\mathrm{Im}\left(x\right)}-{\mathrm{\γ\γ}}_S}-{\mathrm{\κ}}^2}$

其中，n_q为电荷体上注入的电荷数；m为可移动腔镜的质量；ω_m为振动频率；G₀为光力学耦合强度；Q_mr为可移动腔镜上的电荷数，r为可移动腔镜与电荷体的距离；g为腔场与相互作用介质的耦合强度；ε_c为入射光场的强度；μ_ba为偶极跃迁动量；γ为相互作用介质上能级的衰减；γ_S为两个亚稳态之间的衰减；Im(x)为极化率的虚部；κ为腔场的衰减因子。

作为本发明的基于量子干涉的任意波形电光调制器的一种优选方案，所述入射光场的强度大于所述探测光所形成光场的强度。

作为本发明的基于量子干涉的任意波形电光调制器的一种优选方案，所述可移动腔镜为可带电的纳米机械振子，所述可移动镜的移动还受到光压和外部热环境的作用。

作为本发明的基于量子干涉的任意波形电光调制器的一种优选方案，所述固定腔镜朝向腔外的第一壁面为光入射面，所述固定腔镜朝向腔内的第二壁面为反射面；所述可移动腔镜朝向腔外的第三壁面充有电荷，其朝向腔内的第四壁面为反射面；所述电荷体对应所述第三壁面设置并与其保持预定距离。

作为本发明的基于量子干涉的任意波形电光调制器的一种优选方案，所述相互作用介质为三能级系统。

作为本发明的基于量子干涉的任意波形电光调制器的一种优选方案，所述外部电路还包括：被调制激光器及同步信号发生器；

所述被调制激光器用于发射所述探测光，且所述被调制激光器通过所述同步信号发生器与所述电流发生器电连接。

作为本发明的基于量子干涉的任意波形电光调制器的一种优选方案，所述电流发生器为电流脉冲发生器。

如上所述，本发明的基于量子干涉的任意波形电光调制器，具有以下有益效果：

1)采用全新机制的电光调控原理：本发明是基于量子物理的本质特性-量子干涉来实现对光的干涉相消从而达到调制的目的，其调制手段是通过外部电路中电流脉冲实现的，完全不同于传统的电光调制方案基本原理。

2)可以调制出所需的任意波形的光场：根据光场吸收系数与电信号的一一对应的关系，通过简单的调节电路中的电流，可以产生需求波形的光场。

3)具有电控制高集成化优势：利用灵敏快速相应的电纳米机械振子和光学微腔与电路相连接，具有很高的集成性。

4)具有腔品质调节的功能：由于纳米机械振子作为腔的一个腔壁，通过电场实现对纳米机械振子腔壁的控制，可以有效的实现对腔品质因子的调节，并且是一种动力学的调制。

5)广泛的相互作用介质：相互作用介质可以是原子分子、量子点、量子阱、超导或者具有缺陷态的固态材料(如NV色心)等可以实现EIT的介质材料。其能级结构可以是Λ型，V型和Ξ型，甚至可以推广到N或M型的EIT能级结构材料中。

附图说明

图1显示为本发明的基于量子干涉的任意波形电光调制器的结构示意图。

图2显示为本发明的基于量子干涉的任意波形电光调制器中相互作用介质跃迁的原理示意图。

图3显示为本发明的基于量子干涉的任意波形电光调制器中EIT现象中探测光的吸收随电荷数及失谐量变化的坐标示意图。

图4a至图6b显示为本发明的基于量子干涉的任意波形电光调制器中在近似条件下求解确定的电荷数与探测光吸收的关系示意图；其中，图4a为方波对应的探测光吸收随时间变化的坐标示意图，图4b为根据图4a求解得到的电荷数随时间变化的坐标示意图；图5a为锯齿波对应的探测光吸收随时间变化的坐标示意图，图5b为根据图5a求解得到的电荷数随时间变化的坐标示意图；图6a为余弦波对应的探测光吸收随时间变化的坐标示意图，图6b为根据图6a求解得到的电荷数随时间变化的坐标示意图。

图7显示为在本发明的基于量子干涉的任意波形电光调制器中的电荷体上输入不同电荷数得到的探测光吸收随时间变化的坐标示意图，其中，n_q为图4b中对应的电荷数。

图8显示为在本发明的基于量子干涉的任意波形电光调制器中的电荷体上输入不同电荷数得到的探测光吸收随时间变化的坐标示意图，其中，n_q为图5b中对应的电荷数。

图9显示为在本发明的基于量子干涉的任意波形电光调制器中的电荷体上输入不同电荷数得到的探测光吸收随时间变化的坐标示意图，其中，n_q为图6b中对应的电荷数。

元件标号说明

1    固定腔镜

2    可移动腔镜

3    相互作用介质

4    入射光场

5    探测光

6    电荷体

7    电流发生器

8    同步信号发生器

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1至图9，需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

请参阅图1，本发明提供一种基于量子干涉的任意波形电光调制器，所述基于量子干涉的任意波形电光调制器包括：由相对设置(优选为相对平行设置)的固定腔镜1及可移动腔镜2组成的光学微腔，两者间形成设有相互作用介质3的光学腔，所述可移动腔镜2充有电荷；所述光学腔内注入探测光5及入射光场4，所述入射光场4与所述光学腔共振形成腔场；电荷体6，与所述可移动腔镜2间形成电容性耦合；外部电路，所述外部电路包括：电流发生器7；所述电流发生器7与所述电荷体6电性连接，用于向所述电荷体6注入电荷，并通过调整所述注入的电荷数调控所述探测光5在所述相互作用介质3内的吸收，以得到所需波形的光输出。

作为示例，通过调整所述注入的电荷数调控所述探测光5在所述相互作用介质3内的吸收，以得到所需波形的光输出，包括：通过调整所述注入的电荷数控制所述电荷体6同所述可移动腔镜2上电荷间的库仑力，以控制所述可移动腔镜2相对固定腔镜1位移；所述光学腔因所述位移而变化腔长度，使所述光学腔内因外部作用而产生的腔场的强度发生变化，根据所述腔场强度的变化相干地调控所述探测光5在所述相互作用介质3内的吸收，以得到所需波形的光输出。

作为示例，根据所述腔场强度的变化相干地调控所述探测光5在所述相互作用介质3内的吸收，包括：所述腔场强度变化使光学腔和所述入射光场4之间失去共振而减少光学腔内光子数量，所述光学腔内光子数量减少使得所述探测光5在所述相互作用介质3内的极化率随之相应变化，而极化率的虚部决定所述探测光5在所述相互作用介质3内的吸收率，因而可以实现相干地调控所述探测光5在所述相互作用介质3内的吸收。

作为示例，所述极化率的虚部与所述电荷体6上注入的电荷数具有一一对应的关系，依据所需波形的光输出在所述相互作用介质3中的吸收率向所述电荷体6上注入相应的电荷数即可得到所需波形的光输出。

作为示例，所述电荷体6上注入的电荷数与所述探测光5在所述相互作用介质3内的极化率的虚部的对应关系式为：

$n_q=\frac{{\mathrm{m\ω}}_m^2}{2G_0\mathrm{\η}}\sqrt{\frac{g^2{\mathrm{\ϵ}}_c^2}{\frac{{\mathrm{A\γ}}_S}{\mathrm{Im}\left(x\right)}-{\mathrm{\γ\γ}}_S}-{\mathrm{\κ}}^2}$

其中，n_q为电荷体上注入的电荷数；m为可移动腔镜的质量；ω_m为振动频率；G₀为光力学耦合强度；Q_mr为可移动腔镜上的电荷数，r为可移动腔镜与电荷体的距离；g为腔场与相互作用介质的耦合强度；ε_c为入射光场的强度；μ_ba为偶极跃迁动量；γ为相互作用介质上能级的衰减；γ_S为两个亚稳态之间的衰减；Im(x)为极化率的虚部；κ为腔场的衰减因子。

下面结合图1通过具体示例对基于量子干涉的任意波形电光调制器的结构进行详细阐述：

光学微腔：如图1所示，所述固定腔镜1朝向腔体外的第一壁面为光入射面，所述入射光场4可以从所述第一壁面入射，所述归固定腔镜1朝向腔内的第二壁面为高反射面，几乎99.9％的光都被反射；所述可移动腔镜2朝向腔外的第三壁面充有例如正电荷(例如电荷数为Q_mr)，则所述电荷体6上对应为负电荷而形成电容性耦合，反之亦可；所述可移动腔镜2朝向腔内的第四壁面为反射面；所述电荷体对应所述第三壁面设置并与其保持预定距离；所述可移动腔镜2为可移动的全发射镜，可以作为可移动的带电纳米机械振子，其质量为m，振动频率为ω_m，阻尼系数为γ_m，采用这种灵敏的纳米机械振子是为了在快速的调制中实现腔场的快速响应；设腔的长度是L，频率为其中c是光速，n是整数；在频率为ω₀的入射光场沿x轴方向入射到光学腔内形成腔场的情况下，相对强度较弱的探测光沿着z轴从腔镜的方向入射到光学腔内与原子系综相互作用，其频率为ω_p，拉比频率是Ωp。根据需求的精度其纳米机械振子可以用非简谐的可移动的腔壁代替。

三能级系统：所述相互作用介质3为具有三能级的系统，所述三能级系统只要满足：可分别与两束激光场发生偶极跃迁相互作用，并且跃迁路径可实现干涉相消，即量子干涉。其能级结构可以是实现电磁诱导透明的三能级结构：例如Λ型，V型、Ξ型、N型或M型。这种三能级系统可以是原子能级系统：如铷原子、铯原子、里德堡原子等，或固态系统：缺陷态(NV色心)、半导体量子点、超导等系统。本发明方案中以原子系统为例，但不局限于原子系统。腔内放着N个冷的Λ型的三能级原子团，其体积为V，(注：这里选的是Λ型但不局限于Λ型结构)其能级跃迁如附图2所示：|a>,|b>,|c>是原子的三能级，可以选择⁸⁷Rb的三个能级：

|a>＝|5²P_1/2,F＝2>,|b>＝|5²S_1/2,F＝1>,|C>＝|5²S_1/2,F＝2>；

入射光场通过共振入射到腔内，形成腔场，被调制的探测光激发原子|a>,|b>之间的偶极跃迁相耦合，耦合强度为g_p，失谐为Δ_p，腔场与|a>,|c>之间的偶极跃迁相耦合，耦合强度为g，失谐为δ。图上的为腔内光子数的湮灭算符，腔场是量子化的。

外部电路：在与纳米机械振子的平衡位置相距r之处放有一个与其带相反电荷(-n_qe)的电荷体6(n_q是电荷体上带的电荷数)，所述电荷体6与有电流发生器7的外部电路相连接，所述电流发生器7可以为电流脉冲发生器，所述电流发生器7通过同步信号发生器8与被调制激光器相连接。所述电流发生器7可以根据需求产生任意相应的电流，所述电荷体6上的电荷可以通过所述电流发生器7注入，所以电流发生器7控制着所述电荷体6上的电量，而这些电量直接影响这种纳米机械振子与所述电荷体6之间的库仑力，从而控制着电纳米机械振子的位移，实现了对腔长度的控制，即对腔场失谐量实现了电控制。所以此设计的装置可以通过在外部电路中注入电流脉冲实现对腔场的控制。需要说明的是，这种库仑力的驱动，也可以推广到利用交变的电流驱动电纳米机械振子，即在纳米机械振子上加上交变的电流，其交变电流的强度和频率决定了纳米机械振子的位移量。

对于纳米机械振子(即可移动腔镜2)的移动主要来源于两个方面：一是所述电荷体6对纳米机械振子的库伦力，为主要的驱动力；另一方面是光压相对于电荷引起的位移，光压引起的移动尺度非常小，可以忽略。当所述电荷体6上的电荷通过一电流脉冲被绝热地注入过程中，纳米机械振子位移可表示为其中所以纳米机械振子的位移与所述电荷体6带的电荷数n_q成正比。由于纳米机械振子的位移发生移动，所以光学腔的腔长度发生变化，腔的频率也相应的发生变化，在所述入射光场4不变的情况下，所述入射光场4与光学腔不再共振，腔内光子数也随之发生相应的变化，舍去微弱的拉曼过程注入到腔内的光子经过计算，腔内绝热变化的光子数为：其中是入射光场4的强度，p_c是入射激光的功率，κ是腔的衰减因子，失谐是光力学耦合强度。由此腔内光子数的公式可以看出只要调节电荷体上的电荷数就可以控制腔内光子数，即腔场的变化。腔的有效品质因子可以写为：所以腔的品质因子也可以通过外部电路来实现动力学的调节。通过绝热的求解动力学方程，系统中探测场在介质内的极化率可表示为：

$\mathrm{\χ}=\frac{{\mathrm{N\μ}}_{ba}}{{\mathrm{\ϵ}}_c{\mathrm{\Ω}}_p}{\mathrm{\σ}}_{ba},$

其中，μ_ba为偶极跃迁动量，ε_c为入射光场的强度，Ω_p为拉比频率，

其中，γ是上能级|a>的衰减，γ_s是两个亚稳态之间的衰减且γ_s<<γ。

由以上可知纳米机械振子的位移与电荷数成正比关系，而腔场与电荷数是平方反比关系，极化率与光子数成反比关系，因此系统中的这些物理量是可以通过调节电荷数来实现有效的调控。

为了获得对探测光的调制，需要研究探测光5在所述相互作用介质3中的相互作用，即在所述相互作用介质3中的吸收，其中极化率的虚部代表着所述相互作用介质3的吸收，调节其虚部的变化即可以相应的调节光场在所述相互作用介质3中的吸收强度。在电磁诱导透明(EIT)现象中，当腔场足够强时，系统就打开一个共振无吸收的透明窗口。当δ＝0时，其透明窗口随着电荷数的变化如图3所示，由图3可以清晰的看出，电荷数的变化可以有效的调节探测光5的透明窗口，达到对探测光5的吸收和透射的有效调控。

当探测光5与腔场与原子能级之间是共振的时候，经计算极化率的虚部，即介质的吸收可表示为：

$\mathrm{Im}\left(\mathrm{\&chi;}\right)=A\frac{{\mathrm{\&gamma;}}_s}{{\mathrm{\&gamma;\&gamma;}}_s+\frac{g^2{\mathrm{\&epsiv;}}_c^2}{{\mathrm{\&kappa;}}^2+{\left(\frac{2G_0\mathrm{\&eta;}}{{\mathrm{m\&omega;}}_m^2}{n}_q\right)}^2}}$

因此，在共振情况下，通过反变换得到其中的电荷数为：

$n_q=\frac{{\mathrm{m\&omega;}}_m^2}{2G_0\mathrm{\&eta;}}\sqrt{\frac{g^2{\mathrm{\&epsiv;}}_c^2}{\frac{{\mathrm{A\&gamma;}}_S}{\mathrm{Im}\left(x\right)}-{\mathrm{\&gamma;\&gamma;}}_S}-{\mathrm{\&kappa;}}^2}$

其中，n_q为电荷体上注入的电荷数；m为可移动腔镜的质量；ω_m为振动频率；G₀为光力学耦合强度；Q_mr为可移动腔镜上的电荷数，r为可移动腔镜与电荷体的距离；g为腔场与相互作用介质的耦合强度；ε_c为入射光场的强度；μ_ba为偶极跃迁动量；γ为相互作用介质上能级的衰减；γ_S为两个亚稳态之间的衰减；Im(x)为极化率的虚部；κ为腔场的衰减因子。

需要说明的是，为了保证其物理意义，其中极化率的虚部的取值范围为：由此公式可知，探测光5的吸收和电荷数之间具有清晰的一一对应的关系，要想获得什么样的探测光吸收，只要输入到电荷体6上相应的电荷数即可。本发明方案通过电控制介质的吸收可调制光通过介质的透射率，获得调制光场强度的效果。

结合上述内容，对本发明的电光调制进行过程原理的详细解释：

电光调制：

设计的模型如图1所示，起初入射光场沿着x轴通过与光学腔共振垂直注入到腔内，可2移动镜子作为一种高灵敏的纳米机械振子，在光压的作用下，做振幅比较小的简谐运动。由于腔场与腔内调制媒介介质存在偶极跃迁相互作用，在探测光5入射前，腔场作为一种泵浦场使原子系综被泵浦，几乎所有的原子都布据在基态上。之后，探测光5(被调制光)沿着z轴进入腔内，与腔内的原子系综相互作用。于此同时，通过同步信号发生器8相连接的电流发生器7产生调制的电流脉冲，使电荷体6上聚集电荷(注：输入的电流脉冲形状变化或者电荷体6上电荷数由调制需求确定和获得)。随着电荷体6上电荷数的增多，振子与电荷体6之间的库仑力增强，在库仑力的作用下，振子的位移发生变化，这种位移要比光压引起的振子机械振动的位移大的多。因此在电流脉冲的作用下，腔场的长度发生变化，使共振入射的光场产生失谐。由于纳米机械振子振动和电荷的聚集的时间尺度是可控，它的时间尺度要比光与原子相互作用的时间尺度长很多，可以认为是一种缓慢绝热变化的过程，因此腔内的光子数也因非共振失谐，随着振子缓慢的移动而缓慢的绝热地减少。通过腔内原子系综与光场的偶极跃迁相互作用，这种变化引起了腔内调制的探测光5在相互作用介质3内的吸收变化，即通过腔场与探测光5干涉相消来调制探测光5在相互作用介质3中的吸收。当电荷体6上没有电荷或者非常少时，腔场比较大，此时将出现电磁诱导透明现象，探测光5可以无吸收的通过相互作用介质3。当电荷体6上输入电荷后，腔场将减小，透明窗口变窄，最后消失，探测光5会被吸收，其吸收率有极化率的虚部决定，极化率的虚部与电荷体6上的电荷数具有一一对应关系所以通过控制电荷数实现对探测光5透射率的相干控制，从而实现了相干控制的作用，获得了对探测光5的调制。在在考虑电荷数缓变的绝热情况下，为获得方波(如图4a)、锯齿波(如图5a)和余弦波(如图6a)的吸收，需要输入的电荷的变化情况分别如图4b、5b和6b。根据图4a、5a和6b所需求的绝热时吸收波形，输入如图4b、5b和图6b所示的电荷数时，在无绝热情况下对动力学过程数值模拟出其吸收波形如图7至图9所示。前后对比可以得出其吸收波形具有非常好的匹配性。

本发明方案与传统的电光调制方案区别：(1)机制不同：传统电光调制方案一般是基于光电效应和电吸收效应，而本发明方案是基于量子干涉调控，即在具有EIT能级的系统中，存在内态能级之间的两个跃迁路径，这两个可能的路径耦合相互作用，形成干涉相消的现象，从而来实现对另一束光的强度调制。(2)调制便利：由于输入电荷数与极化率的虚部具有一一对应关系，需要什么波形的调制，只需要输入相应的电荷数就可以实现。(3)灵敏度高：本发明方案是在一个高灵敏的光力学腔内实现的，其中纳米机械振子的调控对腔内光场和电荷数具有高的灵敏性、快速相应性。(4)集成化强：本发明方案是在一个由微腔、电纳米机械振子和外部电路组成的系统中完成，具有很好的集成化和微型化；这种方案对未来量子集成芯片的应用具有重要的意义。

综上所述，本发明提供一种基于量子干涉的任意波形电光调制器，基于量子干涉的任意波形电光调制器，所述基于量子干涉的任意波形电光调制器包括：相对设置的固定腔镜及可移动腔镜，两者间形成设有相互作用介质的光学腔，所述可移动腔镜充有电荷；所述光学腔内注入探测光及入射光场，所述入射光场与所述光学腔共振形成腔场；电荷体，与所述可移动腔镜间形成电容性耦合；外部电路，包括：电流发生器；所述电流发生器与所述电荷体电性连接，用于向所述电荷体注入电荷，并通过调整所述注入的电荷数调控所述探测光在所述相互作用介质内的吸收，以得到所需波形的光输出。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出的特点和技术效果：

(1)全新机制的电光强度调制：本方案是基于量子物理的本质特性-量子干涉来实现对光的干涉相消从而达到调制的目的，其调制手段是通过外部电路中电流脉冲实现的，完全不同于传统的电光调制方案基本原理。

(2)可调制出所需求的任意波形的光场：通过求解系统演化方程，获得了绝热情况下光场的吸收公式，得到了光场的吸收率与电荷体上电荷数的一一对应关系，因此理论上可以通过对电荷体上电荷数的控制实现任意比率的光吸收，即通过电的控制实现需求波形调制，即需要什么样的光只需要输入相应的电流脉冲(电荷数)就可实现调制。

(3)具有电控制高集成化优势：利用灵敏快速相应的电机械振子和光学微腔与电路相连接，具有很高的集成性。本发明通过巧妙地设计，实现了用电对光物质相互作用的控制，获得了电控制的量子干涉相消效应，即通过发射电流脉冲实现了对调制光强度透射率的调制。这种控制的改进，将极大的推进量子干涉调制在集成化和微型化方面的研究进展。量子干涉在量子通信、量子网络以及量子计算中起着核心的作用，其集成化的发展，将极大的推动量子信息技术在实践应用中的可能性。

(4)具有腔品质调节的功能：由于纳米机械振子作为腔的一个腔壁，通过电场实现对纳米机械振子腔壁的控制，可以有效的实现对腔品质因子的调节，并且是一种动力学的调制。当腔与入射场和原子间的偶极跃迁共振时，腔的品质最高，光物质相互作用进入强耦合，随着振子的移动，腔失谐变大，品质降低，相互作用降低。从而有效的调节腔内光物质之间的相干作用。

(5)相互作用介质广泛：相互作用介质可以是原子分子、量子点、量子阱、超导或者具有缺陷态的固态材料(如NV色心)等可以实现EIT的介质材料。其能级结构可以是Λ型，V型和Ξ型，甚至可以推广到N或M型的EIT能级结构材料中。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (11)

1.一种基于量子干涉的任意波形电光调制器，其特征在于，包括：

相对设置的固定腔镜及可移动腔镜，两者间形成设有相互作用介质的光学腔，所述可移动腔镜充有电荷；所述光学腔内注入探测光及入射光场，所述入射光场与所述光学腔共振形成腔场；

电荷体，与所述可移动腔镜间形成电容性耦合；

外部电路，包括：电流发生器；所述电流发生器与所述电荷体电性连接，用于向所述电荷体注入电荷，并通过调整所述注入的电荷数调控所述探测光在所述相互作用介质内的吸收，以得到所需波形的光输出。

2.根据权利要求1所述的基于量子干涉的任意波形电光调制器，其特征在于：通过调整所述注入的电荷数调控所述探测光在所述相互作用介质内的吸收，以得到所需波形的光输出，包括：

通过调整所述注入的电荷数控制所述电荷体同所述可移动腔镜上电荷间的库仑力，以控制所述可移动腔镜相对固定腔镜位移；所述光学腔因所述位移而变化腔长度，使所述光学腔内因外部作用而产生的腔场的强度发生变化，根据所述腔场强度的变化相干地调控所述探测光在所述相互作用介质内的吸收，以得到所需波形的光输出。

3.根据权利要求2所述的基于量子干涉的任意波形电光调制器，其特征在于：根据所述腔场强度的变化相干地调控所述探测光在所述相互作用介质内的吸收，包括：

所述腔场强度变化使光学腔和所述入射光场之间失去共振而减少光学腔内光子数量，所述光学腔内光子数量减少使得所述探测光在所述相互作用介质内的极化率随之相应变化，极化率的虚部决定所述探测光在所述相互作用介质内的吸收率，进而实现相干地调控所述探测光在所述相互作用介质内的吸收。

4.根据权利要求3所述的基于量子干涉的任意波形电光调制器，其特征在于：所述极化率的虚部与所述电荷体上注入的电荷数具有一一对应的关系，依据所需波形的光输出在所述相互作用介质中的吸收率向所述电荷体上注入相应的电荷数即可得到所需波形的光输出。

5.根据权利要求4所述的基于量子干涉的任意波形电光调制器，其特征在于，所述电荷体上注入的电荷数与所述极化率的虚部的对应关系式为：

$n_q=\frac{{\mathrm{m\&omega;}}_m^2}{2G_0\mathrm{\&eta;}}\sqrt{\frac{g^2{\mathrm{\&epsiv;}}_c^2}{\frac{{\mathrm{A\&gamma;}}_s}{\mathrm{Im}\left(x\right)}-{\mathrm{\&gamma;\&gamma;}}_s}-{\mathrm{\&kappa;}}^2}$

其中，n_q为电荷体上注入的电荷数；m为可移动腔镜的质量；ω_m为振动频率；G₀为光力学耦合强度；Q_mr为可移动腔镜上的电荷数，r为可移动腔镜与电荷体的距离；g为腔场与相互作用介质的耦合强度；ε_c为入射光场的强度；μ_ba为偶极跃迁动量；γ为相互作用介质上能级的衰减；γ_S为两个亚稳态之间的衰减；Im(x)为极化率的虚部；κ为腔场的衰减因子。

6.根据权利要求1所述的基于量子干涉的任意波形电光调制器，其特征在于，所述入射光场的强度大于所述探测光所形成光场的强度。

7.根据权利要求1所述的基于量子干涉的任意波形电光调制器，其特征在于，所述可移动腔镜为可带电的纳米机械振子，所述可移动镜的移动还受到光压和外部热环境的作用。

8.根据权利要求1所述的基于量子干涉的任意波形电光调制器，其特征在于，所述固定腔镜朝向腔外的第一壁面为光入射面，所述固定腔镜朝向腔内的第二壁面为反射面；所述可移动腔镜朝向腔外的第三壁面充有电荷，其朝向腔内的第四壁面为反射面；所述电荷体对应所述第三壁面设置并与其保持预定距离。

9.根据权利要求1所述的基于量子干涉的任意波形电光调制器，其特征在于，所述相互作用介质为三能级系统。

10.根据权利要求1所述的基于量子干涉的任意波形电光调制器，其特征在于：所述外部电路还包括：被调制激光器及同步信号发生器；

所述被调制激光器用于发射所述探测光，且所述被调制激光器通过所述同步信号发生器与所述电流发生器电连接。

11.根据权利要求1所述的基于量子干涉的任意波形电光调制器，其特征在于，所述电流发生器为电流脉冲发生器。